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虚拟化技术及其效益

2011年04月18日17:03  来源:计算中心  访问量:11479


  1.?虚拟机、应用程序虚拟化与存储虚拟化

  虚拟化技术是计算机领域目前应用非常广泛的技术,例如虚拟机、应用程序虚拟化和存储虚拟化等等。虚拟化技术是通过软件技术模拟一个“真实的”计算机的运行环境——对制造这种环境的软件设计者而言,这种环境是虚拟的;对使用这种环境的用户而言,感觉这是不可思议的、非常神奇而且最初使用时是半信半疑的;对运行在这种环境中的软件而言,其看到的东西和真的没有什么两样。

  虚拟机是“虚拟的”计算机,通过虚拟机软件,可以在一台物理计算机上模拟出一台或多台虚拟的计算机,这些虚拟机完全就像真正的计算机那样进行工作,与真的计算机几乎没有什么区别:有主板、芯片组、网卡、显卡、内存、硬盘、光驱、USB等所有的硬件,有“电源”开关,有与真实计算机一样的BIOS设置和启动过程,需要安装自己的操作系统与应用软件。有些更复杂、强大的虚拟机系统,其甚至可以将多台物理机虚拟成一台性能更加强大的虚拟机,现在流行的云计算,其基础就是虚拟机技术。

图1 高度虚拟化的虚拟机系统

  应用程序虚拟化是指为应用程序虚拟出一个“真实的”操作系统环境,让应用程序能正常地工作于其中。目前比较流行的应用虚拟化软件是Vmware的ThinApp(瘦应用),绝大多数的绿色软件(不用安装即可使用)都可使用ThinApp制作——例如,Office软件需要安装才能使用,且同一操作系统中不能安装不同版本的Office,但通过ThinApp,可以将不同版本的Office制作成绿色软件,使用时直接将相应版本的Office复制到计算机上运行即可,并且可同时运行不同版本的Office。

  存储虚拟化技术则是通过软件技术和网络技术将不同位置、技术、规格的多个硬盘“虚拟”为一个或多个没有硬件特性差异、没有位置差异且容量灵活可变、速度更快、安全可靠性更高的逻辑硬盘,提供给多台计算机系统使用。这种技术一般应用于数据中心,普通用户很少使用。

  2.?虚拟机的应用

  使用虚拟机的用户可分为数据中心和普通个人两大类别。小型数据中心使用虚拟机的最简单方式是:购置1台有多个CPU(每个CPU为多核)、大容量内存、千兆网卡和内置大容量的硬盘RAID阵列的PC服务器,配上合适的虚拟机软件,虚拟出几十台服务器(计算机)并在这些虚拟的服务器上安装操作系统和应用软件。对于运行在虚拟机上的系统而言,这些虚拟机相互之间完全独立的、互不干扰,就跟真正有这么多物理计算机是一样的。对于条件较好的数据中心,则可购置2台以上的高性能服务器和配套的网络存储,进一步提高每一台虚拟机的性能,并且在物理服务器间实现负载均衡和不中断系统运行的故障处理——当某一台物理服务器上的虚拟机较多且很繁忙时,虚拟机的管理软件可以自动将其中一部分虚拟机转移到另外的较空闲的物理服务器上运行;当某一台物理服务器需要停机检修时,虚拟机的管理软件可以将这台物理服务器上的所有虚拟机在极短的、用户感觉不到系统中断的时间内转移到另外的物理服务器上继续运行。

  一般情况下,数据中心使用虚拟机能带来以下效益

  (1)节约建设成本和运行成本,资源利用率高。由于虚拟机的使用,物理机的数量成倍减少,由此带来的服务器硬件成本和布线成本则快速下降,相应地,运行过程中服务器本身的能源消耗、制冷能源消耗、设备维修保养开销、机房空间占用开销也快速下降。

  (2)单台虚拟服务器的性能比原来有很大提升。通常情况下,在同一台物理服务器上运行的多台虚拟机同时繁忙的可能性较小,每台虚拟机均可分到比原来物理机更多、更快的CPU、内存和磁盘,再加上系统能自动实施负载均衡,因此平均而言,性能有较大的提升。

  (3)整个系统的适应性更好,资源的利用率更高,应用的需求能得到更好的满足。当某个应用系统因用户数量激增和业务增长而需要提高服务器的性能时,只需通过虚拟机的管理软件调整相应虚拟机的配置,例如增加CPU数量、增加CPU的有效频率、加大内存、加大磁盘等,非常方便。

  (4)虚拟机的硬件是标准的(虚拟的),因此,将在一台物理机上的虚拟机迁移到另外的物理机上运行时,不存在虚拟机硬件发生变化的情况,因而在虚拟机上运行的操作系统等不需要重要配置,系统的迁移、备份和恢复非常方便,多个系统的复制也非常迅速,例如在Vmware中克隆一台虚拟机只需要几秒,且可实现多台虚拟机共享同一磁盘空间。

  (5)系统的运行更加安全可靠。如前所述,当某台物理服务器需要进行检修和更换时,系统的运行不需要中断,可以在线更换,不需要计划内停机。另外,多个虚拟机所使用的物理机的安全性、可靠性肯定比原来单独直接使用的一般物理机要好。

  普通个人使用虚拟机的一般方式是:在个人计算机的操作系统(在此简称主系统)中,安装虚拟机的管理软件,创建并运行相应的虚拟机。对于用户而言,虚拟只是运行在用户主系统下的一个应用程序,但是对于在虚拟机中运行的应用程序而言,它就是在真正的计算机中进行工作。通常,普通用户基于以下目的而使用虚拟机

  (1)为了创建多种演示环境和学习,在同一计算机上方便地、互不干扰地安装并运行不同的操作系统。例如,用户计算机的主系统是Windows?XP,用户可以在XP下通过虚拟机管理软件创建并同时运行多个不同的操作系统,如MS-DOS、Windows98、WindowsNT、Windows?Vista、Linux、Novell?NetWare、Sun?Solaris、FreeBSD等操作系统。

  (2)安装当前硬件不支持的操作系统。例如,Windows?98、Windows?NT等已无法在目前的硬件上运行,但用户的有些应用系统又的确只能运行在这样的操作系统下,而在虚拟机的管理软件中则可选择标准的、能为这些旧系统识别的硬件版本,因此这些旧系统可安装并运行在虚拟机里。

  (3)用于软件测试、安全测试和从事对系统有风险的工作。例如,测试新的软件能否在现有系统上升级并正常工作、安全选项的设置对系统有何影响,若在正在运行的工作系统上进行测试,则是有很大风险的,完全可能造成系统的崩溃。再如,用户可能需要访问一些有安全隐患的网站、下载并运行一些可能带毒的程序,若在现有的工作系统上进行,则风险是巨大的。在虚拟机上进行这些工作,则几乎没有什么风险:一是虚拟机若出现问题,由于其与主系统是相互独立的,则问题只可能影响虚拟机自身,不会给主系统带来任何影响;二是虚拟机一般都提供有快照(snapshot)功能,用户可在测试前对虚拟机的当前状态做一个快照,此后无论虚拟机出现什么问题,都可使用快照的还原功能在瞬间恢复到虚拟机做快照时的“健康”状态。另外,提供快照功能的虚拟机管理系统往往均支持对同一虚拟机做多个快照,以保存虚拟机在不同时候的状态。

  反过来,对于特别重要、敏感的工作,例如网银转帐,也可选择在虚拟机中运行。在这样的虚拟机中,只安装完成这些工作所需要的软件,只进行这些工作,并且进行特别的安全设置,以保证系统环境的干净、安全。

  (4)用于分发复杂的应用系统。有些应用系统的安装和配置是比较复杂的,可能还需要特殊的系统和软件环境,普通的用户很难完成,对于这样的系统,发行方可将其安装到虚拟机里,将虚拟机打包后分发给普通用户——对主系统而言,虚拟机不过就是其磁盘上的几个文件而已。

  (5)用于系统安装与配置、复杂应用系统的教学与培训。根据(3)、(4)所述,当需要进行这些工作时,使用虚拟机是非常合适、极为方便的。

  3.?CPU对虚拟化的支持

  由于在虚拟机和真正的硬件之间存在虚拟机的系统管理软件,因此,虚拟化是有一定开销的,在虚拟机中工作的系统的性能肯定比直接工作在同一物理机上的系统的性能低一些。为了减少虚拟化带来的额外系统开销,现今PC的CPU被设计成支持虚拟化:支持虚拟技术的CPU有特殊的架构和带有特别优化过的指令集来控制虚拟过程,从而提高虚拟化的性能,让虚拟机的性能与物理机的性能相近。

  目前,世界上两大CPU巨头Intel和AMD都想方设法在虚拟化领域中占得先机。Intel自2005年末便开始在其处理器产品线中推广应用Intel?Virtualization?Technology(Intel?VT)虚拟化技术。AMD也已经发布了支持AMD?Virtualization?Technology(AMD?VT)虚拟化技术的一系列处理器产品。


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